辽西地区不同水土保持措施条件下土壤侵蚀量与降雨因子关系研究

李明伟

(中煤科工集团沈阳设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110015)

侵蚀性降雨是造成坡面土壤侵蚀的主要原因，通过布置水土保持措施，能使水土流失状况得到改善，但仍不能完全杜绝。研究人员对土壤侵蚀量与各降雨因子的关系进行了研究：陈文烯等[1]通过监测不同水土保持措施条件下小流域5年内的降雨量和土壤侵蚀量，得出土壤侵蚀量与降雨量、降雨历时呈显著相关的结论；李瑞等[2]采用径流小区法测定降雨量和降雨强度，并利用回归分析法对坡面产沙量与降雨量、降雨强度的关系进行了分析，结果表明降雨量是影响坡面产沙量的主要因子；张晶晶等[3]通过径流小区法，对土壤侵蚀量与各降雨因子的关系进行灰色关联分析，结果表明降雨量和降雨强度对土壤侵蚀量的影响最大；王瑄等[4]通过对野外径流小区天然降雨的降雨因子和侵蚀量的观测，运用逐步回归分析法，得出坡度和降雨动能是影响坡面土壤侵蚀量的主要因素；盛世博等[5]采用野外径流小区法对坡面产沙量与天然降雨雨滴特性因子的关系进行研究，运用灰色关联分析及模糊贴进度分析法，得出影响坡面产沙量的主要因子为降雨强度和降雨动能。综上所述，降雨因子和水土保持措施均会对坡面产沙量产生较大影响，国内学者对坡面产沙量与降雨因子的关系研究较多，但对水土保持措施布设后降雨因子对土壤侵蚀量的影响研究较少。本研究基于2011—2016年在野外标准径流小区进行的水土流失监测试验数据，对不同水土保持措施条件下坡面土壤侵蚀量与降雨因子的关系进行研究，以期为水土保持监测提供理论参考和技术支持。

1 试验设计

1.1 试验区概况

试验地点位于辽宁省朝阳市朝阳县东大道小流域全国水土流失动态监测站，监测时段为2011—2016年。监测站地理位置位于E120°01′00″、N41°26′00″，所属流域为大凌河支流，当地多年平均降水量450 mm、气温8.2 ℃、蒸发量2 000 mm、风速2.9 m/s、无霜期155 d。

1.2 径流小区布设

本次试验在监测站内布设标准径流小区4个，分别为空白对照、果树台田、梯田、水平槽整地。径流小区水平投影长20 m、宽5 m，坡向朝南，坡度为12°，土壤为褐土，土壤容重为1.13 g/cm3。其中，果树台田小区土埂高度0.1 m，坡面栽植株行距为2 m×2 m；梯田小区选用土坎梯田，田面宽5.0 m，田坎高0.5 m，坡面栽植株行距为2 m×2 m；水平槽整地小区主槽长1.0 m、槽宽0.6 m、槽深0.5 m，坡面栽植株行距为2 m×2 m。措施植物均为山杏，树高1.5 m，胸径3.0 cm。径流小区旁设置人工气象观测站及TRM-ZS2型自动气象观测站，与径流小区之间距离为5 m，气象站记录时间间隔为5 min。小区边界由水泥板围成边墙，边墙宽13 cm，高度地上部分15 cm、地下部分30 cm。为确保试验精度，边墙顶部呈外斜型，以防止多余雨水汇入小区。小区底部设有集流槽，长度5.0 m，宽度0.6 m，集流槽上缘与地面平齐，确保小区地表径流汇入槽内，槽壁采用水泥抹面，确保水流面光滑，底部向下、向中间倾斜，保证水流顺利汇入分流桶。小区径流经集流槽流入分流桶，分流桶为砖混结构，根据当地降雨及产流情况，确定分流桶规格为1 m×1 m×1 m，设1个分流孔，分流孔距分流桶底面60 cm。分流桶下方设置集流桶，规格为1 m×1 m×1 m，收集由分流桶流入的清水，下部设放水孔一处。径流小区坡面布设如图1所示。

图1 径流小区俯视图

1.3 数据分析方法

采用Excel进行监测数据处理，采用模糊贴近度法进行分析。模糊贴近度是指两个序列贴近程度的比较。本研究采用模糊贴近度中较为常用的海明贴进度对序列间相似程度进行分析。由于各序列原始数据都是有量纲的，无法直接比较，因此在数据处理前需进行无量纲化处理，即初值化处理。建立不同降雨时间、降雨因子或侵蚀量的自变量序列Xij，其海明贴近度初值化公式为

式中：Y为因变量序列；X为自变量序列。

海明贴近度计算公式为

式中：σH(Cj,Dk)为序列C与序列D间的模糊贴近度；m为序列样本容量。

2 结果与分析

监测站监测时段(2011—2016年)内共降雨194次，其中侵蚀性降雨21次。2011年降雨41次，其中侵蚀性降雨5次；2012年降雨47次，其中侵蚀性降雨6次；2013年降雨36次，其中侵蚀性降雨4次；2014年降雨29次，其中侵蚀性降雨3次；2015年降雨11次，其中侵蚀性降雨1次；2016年降雨30次，其中侵蚀性降雨2次。

本研究降雨因子选取降雨历时(T)、降雨量(P)、最大30min降雨强度(I30)、最大60min降雨强度(I60)、降雨量与最大30min降雨强度的乘积(PI30)，降雨量与最大60min降雨强度的乘积(PI60)。21次侵蚀性降雨的降雨因子及各小区土壤侵蚀量(S)具体数值见表1。

表1 监测时段内降雨因子与土壤侵蚀量原始数据

2.1 水平槽整地土壤侵蚀量与降雨因子关系分析

根据公式(1)，将土壤侵蚀量与降雨因子进行初值化，并结合公式(2)，计算水平槽整地小区土壤侵蚀量与降雨因子的海明贴近度(σ水平槽)，结果见表2。

表2 水平槽整地小区土壤侵蚀量与降雨因子海明贴近度计算结果

由表2可知，σ水平槽I30最大，σ水平槽PI30次之，σ水平槽P最小，说明水平槽整地土壤侵蚀量受最大30min降雨强度影响最大，降雨量与最大30min降雨强度乘积的影响次之，而降雨量的影响最小，这反映出I30在对水平槽整地土壤侵蚀量影响中占据主导地位。总的来说，影响水平槽整地土壤侵蚀量的降雨因子海明贴近度排序为σ水平槽I30>σ水平槽PI30>σ水平槽I60>σ水平槽PI60>σ水平槽T>σ水平槽P。

通过开挖水平槽并在槽内植树的方法，提升了坡面涵养水源和保持土壤的能力。水平槽整地小区土壤侵蚀量之所以受I30影响最大，是由于水平槽内蓄水量和土壤持水能力有限，短历时且降雨量较大的雨型可以迅速使坡面持水能力达到饱和并产生地表径流，对土壤冲刷强烈并形成细沟侵蚀，并且随着I30增大土壤侵蚀越发严重。水平槽整地小区土壤侵蚀量受降雨历时和降雨量影响较小，这是由天然降雨强度不稳定的特点所致——降雨历时长但降雨量分散，加之布设有工程措施，坡面具有一定的蓄水能力。

2.2 果树台田小区土壤侵蚀量与降雨因子关系分析

根据表1的计算结果，结合公式(1)、(2)，计算果树台田小区土壤侵蚀量与降雨因子的海明贴近度(σ果树台田)，计算结果见表3。

表3 果树台田土壤侵蚀量与降雨因子海明贴近度计算结果

由表3可知，σ果树台田T最大，其次是σ果树台田I30和σ果树台田PI30，这说明降雨历时对果树台田的土壤侵蚀量影响最大。而σ果树台田P最小，说明果树台田土壤侵蚀量受降雨量的影响程度最小，这与水平槽整地小区相同。总的来说，影响果树台田土壤侵蚀量的降雨因子海明贴近度排序为σ果树台田T>σ果树台田I30=σ果树台田PI30>σ果树台田PI60>σ果树台田I60>σ果树台田P。

在表3中，σ果树台田T与σ果树台田I30、σ果树台田PI30数值较大且非常接近，说明果树台田土壤侵蚀量受三者的共同影响，即随着T、PI30、I30增大，土壤达到田间持水率后持续蓄水，并最终形成超渗产流。可以看出，果树台田土壤侵蚀量受多降雨因子共同影响。

2.3 梯田土壤侵蚀量与降雨因子关系研究

结合表1的计算结果，利用公式(1)、(2)，计算梯田土壤侵蚀量与降雨因子的海明贴近度(σ梯田)，计算结果见表4。

表4 梯田土壤侵蚀量与降雨因子海明贴近度计算结果

由表4可知，σ梯田PI30最大，其次是σ梯田I30和σ梯田PI60，这说明梯田土壤侵蚀量受降雨量和最大30min降雨强度乘积的影响最大，受最大30min降雨强度的影响次之。σ梯田P最小，这与水平槽整地和果树台田小区相同。总的来说，影响梯田土壤侵蚀量的降雨因子海明贴近度排序为σ梯田PI30>σ梯田I30>σ梯田PI60>σ梯田T>σ梯田I60>σ梯田P。

梯田是较常见的水土保持工程措施，在辽西地区应用非常广泛。梯田的土壤侵蚀量受PI30影响最大，即受到降雨量与最大30min降雨强度的复合影响最大。出现这种结果的原因主要是坡改梯将坡耕地改变为较为平缓的台阶，增加了坡面承雨面积。在非极端条件下，当降雨量较大而最大30min降雨强度较小时，梯田工程涵养大部分水源，产生侵蚀量较小；当最大30min降雨强度较大而降雨量较小时，也不会形成大量产流。为避免用单因子反映影响结果不够准确或稳定，本研究采用降雨量与最大30min降雨强度乘积的形式来判断其对梯田侵蚀量影响的效果较好。

2.4 三种水土保持措施土壤侵蚀量与降雨因子对比分析

采用相同方式计算对照小区土壤侵蚀量与降雨因子的海明贴近度，将4个小区的计算结果整理见表5。

表5 不同水土保持措施小区土壤侵蚀量与降雨因子海明贴近度计算结果

由表5可知，除T、P两项不同外，对照小区土壤侵蚀量与各降雨因子的海明贴近度大小排序与水平槽整地小区相同。除降雨历时外，对照小区土壤侵蚀量与各降雨因子的海明贴近度均大于其他水土保持措施小区，这表明除降雨历时外的降雨因子对裸坡土壤侵蚀量的影响程度大于对其他水土保持措施小区的影响程度。在各类水保措施小区，降雨历时对土壤侵蚀量的影响在果树台田小区表现得最明显，其次是梯田小区，而降雨量无论在何种措施条件下对土壤侵蚀量的影响均为最低。这是由于布设水土保持工程措施改变了原地貌，提升了坡面蓄水保水能力，而蓄水能力的增强使得降雨量对坡面土壤侵蚀量的影响明显减小。I30对土壤侵蚀量影响较大，这与丁文峰等[6]得出的水土流失的主要影响因子是降雨强度结论相类似，也与林锦阔等[7]在荞麦小区、花生小区得出的结论基本一致。

总的来说，对照小区裸坡土壤侵蚀量与降雨因子变化贴近程度较水保措施小区高，说明水土保持措施可以有效减轻降雨因子对土壤侵蚀的影响。水保措施布设后，降雨量对水平槽整地小区土壤侵蚀量的影响最低，出现这种情况的原因是水平槽整地的蓄水保水能力较其他水保措施强，其降雨大多蓄积于槽内，只有当降雨量转化为产流后才会产生较强烈的侵蚀，因此在降雨量不大的情况下侵蚀量并不是随降雨量变化而变化的。各水保措施小区土壤侵蚀量与I30的贴近程度均较高，说明30min内降雨量较大的雨型对研究的这三种水保措施小区影响较大。原因是这种类型的降雨在有一定前期降雨的条件下，会造成小区内土壤含水量在短时间内骤增，进而产生地表径流，冲刷表土。研究区土壤侵蚀量有较大比例来源于这种降雨侵蚀，因此应注意防范该类型降雨侵蚀，并在降雨后及时修缮水土保持措施。

3 结 论

(1)水平槽整地土壤侵蚀量与降雨因子海明贴近度排序为I30>PI30>I60>PI60>T>P。

(2)果树台田土壤侵蚀量与降雨因子海明贴近度排序为T>I30=PI30>PI60>I60>P。

(3)梯田土壤侵蚀量与降雨因子海明贴近度排序为PI30>I30>PI60>T>I60>P。

(4)不同水土保持措施土壤侵蚀量与降雨量贴近程度最低，与I30、PI30贴近程度较高；水平槽整地保水能力强于梯田和果树台田；I30较大的雨型易对研究的这三种水土保持措施小区水土流失产生较大影响。